VLDDT VẬT LIỆU SIÊU DẪN ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC ĐỜI SỐNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  VẬT LIỆU SIÊU DẪN ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC ĐỜI SỐNG (Môn học: Vật liệu điện điện tử) Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phạm Xuân Hổ Nhóm thực hiện: Nguyễn Hoài Phong 16142178 Trần Viết Phi 16142174 Nguyễn Tấn Minh 16142147 Trần Ngọc Vũ Kha 16142127 TP Hồ Chí Minh 02112017 Mục lục Lời mở đầu 1 Lý do chọn đề tài 2 I. Hiện tượng siêu dẫn 4 I.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn 4 I.2 Điện trở không 5 I.3 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 5 I.4 Ví dụ và các hiện tượng vật lí 6 II. Lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn 8 III. Các chất siêu dẫn 13 III.1 Hiệu ứng Meissner 13 III.2 Từ trường tới hạn 16 III.3 Phân loại siêu dẫn 16 III.4 Độ dẫn điện của các chất siêu dẫn 18 III.4 Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo 19 IV. Lý thuyết BCS 19 V. Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao 21 V.1 Oxit siêu dẫn 21 V.2 Chất siêu dẫn MgB2 21 VI. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn 23 VI.1 Tàu chạy trên đệm từ 23 VI.2 Máy quét MRI 25 VI.3 Máy gia tốc hạt 27 VI.4 Truyền tải điện năng 27 VI.5 Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch 27 VI.6 Siêu máy tính 29 VI.7 Ăng ten mini Miniature Antennas 29 VI.8 Máy phát điện siêu dẫn 29 VI.9 Động cơ siêu dẫn 30 VI.10 Tàu thủy siêu dẫn 30 VI.11 Thiết bị xử lí tín hiệu 30 VI.12 Ô tô điện 30 VI.13 Lò phản ứng nhiệt hạch từ 31 VI.14 Các băng siêu dẫn 31 Lời kết 32 Lời mở đầu Đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống” được nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về hiện tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng này trong khoa học – đời sống. Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về vài nét của quá trình lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn, những lý thuyết liên quan, những khái niệm, đặc điểm điển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn và cuối cùng là những ứng dụng cụ thể trong khoa học – đời sống. Có thể giúp các bạn có một cái nhìn cụ thể hơn về hiện tượng này, và biết được những điều mới lạ, thú vị trong việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ hiện đại. Hy vọng tài liệu này sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên, cũng như những người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng siêu dẫn – một vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí. Lý do chọn đề tài Chúng ta đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại giảm cũng giảm đều. Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều có tính chất này. Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng. Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân cách đây gần một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K). Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử… Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo. Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chính xác bệnh tật trong con người không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. Để sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay 196οC) với giá thành hạ hơn hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường. Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn công nghệ cao, bởi vì chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy... mãi. Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn. Vì vậy, thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với các chất khác hiện nay. Và điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng. Điều này đồng nghĩa với việc một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay. Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh vơi việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Các vấn đề về hiện tượng siêu dẫn luôn là vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm. Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xác hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như thế nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn mới dựa trên sắt mà có thể cho phép các nhà vật lý những cách thức mới để có thể tìm hiểu một cách dễ dàng hơn về hiện tượng này – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này. Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức rộng rãi và to lớn. Ngày nay khoa học kĩ thuật đã và đang đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa học phải vận dụng và khai thác tối đa các ứng dụng của chất siêu dẫn để phục vụ cho con người trong mọi lĩnh vực. Qua đó có thể thấy các ứng dụng của chất siêu dẫn không còn xa lạ gì với con người nữa. Hiện tượng siêu dẫn đã mang đến một sức hút kì lạ cho những ai biết đến và mong muốn khám phá nó bởi những ứng dụng hết sức rộng rãi và kì diệu. Và đó cũng là một trong những lí do để nhóm quyết định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học và đời sống” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng siêu dẫn.  Nội dung I. Hiện tượng siêu dẫn I.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là hiện tượng vật lí xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường. Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. Ở một nhiệt độ xác định Tc điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó cho phép dòng điện chảy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn được gọi là chất siêu dẫn. Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan. Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng). Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao. I.2 Điện trở không Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem như hoàn toàn biến mất. Vậy thực chất: trong trạng thái siêu dẫn, điện trở là 0 hay là có giá trị rất nhỏ? Tất nhiên, không thể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0, bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả thiết rằng tự cảm của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: i(t) = i(0)e(RL)t Ở đây, R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao quanh xuyến. Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 1026 Ωm. Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. I.3 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: Điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234K (3900C) là 39,7Ω. Trong trạng thái lỏng tại 00 (cỡ 273K) có giá trị là 172,7Ω, tại gần 4K có giá trị là 8.102 Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.106 Ω. Như vậy có thể coi là ở nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không). Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là TC). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆T). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T = 5.102 K. Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. I.4 Ví dụ và các hiện tượng vật lí Đến nhiệt độ Tc = 4°K , điện trở suất của thủy ngân đột ngột giảm đến 0. Với dây dẫn bằng chì tiết diện 1mm² ở nhiệt độ Tc = 7,26°C dòng điện đạt được I = 1250A , J = 〖10〗9Am², lớn hơn mật độ dòng điện cực đại đạt được trong kĩ thuật hàng trăm lần mà vật dẫn không bị nóng. Điện trở VLSD biến mất khi T = Tc Ở trạng thái siêu lạnh các electron xuất hiện một tính chất lượng tử: hiện tượng xuyên hầm, đó là hiện tượng các hạt có thể vượt một rào thế năng với năng lượng bình thường nó có thì không thể nào vượt qua được nếu xét trong phạm vi cơ học cổ điển của Newton. Theo cơ học lượng tử các electron có thể hình dung như là sự kết hợp có tính thống kê của cả hai tính chất sóng – hạt. Ở trạng thái siêu dẫn, các sóng – hạt điện tử có khả năng vượt qua một rào thế U lớn hơn năng lượng W của hạt, và khi thực hiện được điều này thì có một dòng điện không bị cản lại (tức là bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt), như trong sự dẫn điện thông thường. Bảng các nguyên tố siêu dẫn Những vật liệu không có tính siêu dẫn: Kim loại hóa trị 1, chất sắt từ và chất kháng từ. Trạng thái siêu dẫn bị phá hủy khi ở trong từ trường mạnh. Giá trị cường độ từ trường lúc này (kí hiệu H0) phụ thuộc vào nhiệt độ. + Khi nhiệt độ T = Tc thì H0 = 0 + Khi nhiệt độ T tiến dần về 0K thì H0 lại tăng dần lên đến giá trị H0(0) nào đó (đối với chì H0(0) = 0,08), hàm số chỉ phụ thuộc vào H0 được cho bởi: H0(T) = H0(0)1 – ( TTc )2 Khi H > H0 thì không có hiện tượng siêu dẫn ở bất kì nhiệt độ nào. Trạng thái siêu dẫn còn bị phá hủy khi dòng điện I lớn hơn giá trị I0=2πr H0(T) với r là bán kính dây dẫn. Vật liệu siêu dẫn loại trừ từ thông (vật liệu siêu dẫn không nhiễm từ). II. Lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn Cách đây gần một thế kỷ siêu dẫn còn chưa ai biết tới thì giờ đây lại đang là một vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại. Năm 1908, Kamerlingh Onnes đã đặt bước tiến đầu tiên trong việc tìm ra siêu dẫn khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli (He) tại trường đại học tổng hợp quốc gia Leiden, Hà Lan. Năm 1911 cũng chính Kamerligh Onnes đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi điện trở một cách đột ngột của mẫu kim loại này ở 4,1K. Khi nhiệt độ thấp, điện trở của thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới nhiệt độ tới hạn TC = 4,1K (268,9oC) thì điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt. Đó là một phát hiện đầu tiên của hiện tượng siêu dẫn. Ba năm sau chính ông là người đầu tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Ngay sau đó, người ta phát hiện ra hiện tượng chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái siêu dẫn ở các kim loại khác như chì, niobi nhưng ở nhiệt độ tới hạn TC cao hơn chút. Năm 1914, phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dẫn đầu tiên được tìm ra. Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner. Walter Meissner Robert Ochsenfeld Năm 1957, lý thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen và Schriffer đã giải thích hầu hết các tính chất cơ bản của siêu dẫn lúc bấy giờ và lý thuyết này đã đạt được giải thưởng Nobel. Leon N Cooper John Bardeen John R Schriffer Năm 1973, phát hiện ra Nb3Ge có Tc = 23,3K dùng hydro lỏng rẻ hơn. Năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb1xBixO3 (x=0,5). Có Tc cực đại cỡ 13K. => Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước 1985 đều không vượt quá 24K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Năm 1986 tại Zurich, Karl Alex Muller và Johannes Georg Bednorz tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại. Chất gốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ Nito lỏng (35K). Karl Alex Muller Johannes Georg Bednorz Với phát minh này, J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hướng mới đó là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỉ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn. Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98K. Năm 1988, phát hiện ra vật liệu siêu dẫn dựa trên Thali Tl2Ca2Ba2Cu3O10 với Tc = 127K . Sau đó không lâu tìm thấy một oxit hỗn hợp của đồng, bari, canxi và thủy ngân có tính siêu dẫn với Tc = 150K. Năm 1991, một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn có trong hợp chất hữu cơ KxC60. Đến năm 2007, đã có hợp chất siêu dẫn trên nền sắt Fe được phát hiện. Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính chất cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity). Đó là: Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga. Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa Kỳ. Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền. Biểu đồ trình bày lĩnh vực ứng dụng của các chất siêu dẫn qua các năm Caùc maãu chaát sieâu daãn cuûa caùc trung taâm nghieân cöùu gioáng nhau ôû choã ñöôïc taùc duïng aùp suaát raát lôùn (hôn 235.000 atmotphe). Ñieàu naøy chöùng toû moät khaû naêng taêng nhieät ñoä tôùi haïn Tc baèng caùch ñöa caùc nguyeân töû trong moät hôïp chaát laïi gaàn nhau hôn: khi caùc nguyeân töû ñöôïc ñöa laïi raát gaàn nhau trong vuøng khoâng gian coù kích thöôùc daøi trong khoaûng 0,53.108 cm (giaù trò treân laø baùn kính cuûa quó ñaïo Bohr thöù nhaát vaø ñöôïc xem laø bieân giôùi cuûa caùc hieän töôïng vó moâ vaø vi moâ), thì nhöõng hieäu öùng cuûa theá giôùi vi moâ (löôïng töû) baét ñaàu phaùt huy taùc duïng. Neáu ñaït ñöôïc aùp suaát haøng trieäu atmotphe ngöôøi ta coù coù theå vöôn tôùi nhieät ñoä TC = 200K vaø cao hôn nöõa. Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn III. Các chất siêu dẫn III.1 Hiệu ứng Meissner Một vật dẫn lý tưởng có thể có điện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối (0K). Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng. Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC, thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngoài Ha còn cảm ứng từ bên trong mẫu B = 0. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Meissner. Tính chất từ của chất siêu dẫn Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó các đường cảm ứng từ B = 0. Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng. Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ (CGS) sẽ là: χ = MHa = 14π Hoặc trong hệ SI: H = Ha + M = 0 χ = MHa = 1 Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa χ = 1 đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng. Mặt khác, đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn về tính chất điện là điện trở không (ρ = 0). Xuất phát từ phương trình cơ bản của điện động lực học thì định luật Omh được biểu diễn trong điện trường theo mật độ và điện trở suất là: E = ρJ Như vậy, các đường cảm ứng từ B phải là một hằng số. Khi ρ = 0 thì B = const. Nghĩa là, ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống dưới nhiệt độ TC thì phương trình B = const vẫn đúng. Vậy, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được. Về phương diện lý thuyết xét ở đây chỉ là chấp nhận B = const = 0 theo thực nghiệm. Từ các dẫn chứng trên đây đã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu dẫn có điện trở không và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất siêu dẫn là một nghịch lý từ lý tưởng (χ = 1). Hai tính chất độc lập này có đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đều đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu dẫn hay không. Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng III.2 Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (HC) xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường (HC) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ T và hàm đó được mô tả gần đúng như sau: H0(T) = H0(0)1 – ( TTc )2 Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì HC(TC) = 0. Đường cong HC phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng. Đường này chính là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng là trạng thái thường. III.3 Phân loại siêu dẫn Trở lại công thức mô tả trường khử từ: giá trị 4πM chính là từ trường sinh ra bởi dòng siêu dẫn. Ở trên từ trường tới hạn HC, chất siêu dẫn trở thành vật dẫn thường có giá trị 4πM rất nhỏ. Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưởng nó biểu hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và được gọi siêu dẫn loại I. Siêu dẫn loại I thường là các kim loại sạch. Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường Năm 1993, hai khoa học gia W.Meissner và R.Ochsenfeld đã khảo sát tính siêu dẫn của chì. Khi chất này được đặt trong một từ trường yếu và được làm lạnh từ từ. Khi được hạ xuống một nhiệt độ khá thấp,thường gọi là nhiệt độ tới hạn Tc, chì trở thành siêu dẫn. Và đồng thời có một tính chất đặc biệt khác: từ thông bị đẩy hoàn toàn ra khỏi chì. Hiệu ứng này mang tên MeissnerOchsenfeld và từ đó người ta xác định được các chất siêu dẫn loại I. Vật liệu siêu dẫn loại I Đến năm 1962 ,người ta mới tìm ra các chất siêu dẫn loại II. Chất siêu dẫn loại II thường là những hợp kim, chúng có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao. Vật liệu siêu dẫn loại II Dựa vào hiệu ứng Meissner: + Siêu dẫn loại I: hoàn toàn đúng. + Siêu dẫn loại II: không hoàn toàn đúng, vậy siêu dẫn loại II đã tồn tại vùng trung gian (vùng hỗn hợp). III.4 Độ dẫn điện của các chất siêu dẫn Độ dẫn nhiệt (k) của kim loại là vấn dề phức tạp. Đây là bài toán về các quá trình không cần bằng với các thành phần da dạng. Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon. Quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt va chạm của từng loại hạt tải với chính loại đó, với các loại hạt tải khác, với các sai hỏng mạng và các biên hạt. Cơ chế này phụ thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu. Ở trạng thái siêu dẫn còn phụ thuộc cả vào từ trường và các xoáy từ. Vì vậy, khó có thể làm sáng tỏ mọi sự đóng góp vào độ dẫn nhiệt của vật trong trạng thái siêu dẫn, mà chỉ có thể xác định được những thành phần tương đối đơn giản và để phân tích trong quá trình thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm cho rằng: Thông thường độ dẫn nhiệt (k) trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái thường. Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của vật liệu (kSD ) giảm mạnh trong vùng nhiệt độ T < TC . Về mặt định lượng, có thể giả định mô hình hai chất lỏng. Bản chất của nó là: Khi nhiệt độ giảm, nồng độ của chất siêu chảy điện tử tăng lên (electron superfluid). Chất siêu chảy điện tử trong Heli lỏng không mang năng lượng cho nên độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ. Trong nhiều chất siêu dẫn khi T < TC độ dẫn nhiệt giảm giảm xuống xấp xỉ hoặc bằng 0. Như vậy, có thể cho rằng các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt. Tính chất này không được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật nhiệt độ thấp. Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độ dẫn nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ. Hiện tượng này được Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu dẫn đã có sự tán xạ nhẹ của các sóng phonon lên các điện tử làm tăng бSD (độ dẫn nhiệt). Các sóng này mất dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn. III.4 Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi). Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch. IV. Lý thuyết BCS 1. Nhiều lý thuyết trước đây đều dựa trên cơ sở tương tác trực tiếp lẫn nhau qua tương tác đẩy coulumb. Hiệu ứng đồng vị cho biết rằng nhiệt độ tới hạn Tc phụ thuộc vào khối lượng hạt nhân. BCS không dựa trên đặc trưng đẩy coulomb mà dựa trên tương tác electronphonon. 2. Đặc trưng bởi tương tác hút của điện tử điện tử có thể dẫn đến sự xuất hiện các đôi điện tử liên kết. Tương tác giữa các điện tử dựa trên tương tác phonon nghĩa là 1 điện tử phát ra 1 phonon làm biến dạng mạnh còn điện tử kia bắt lấy nó để điều chỉnh sự biến dạng của nó. Và như vậy 2 điện tử trao đổi năng lượng và xung lượng cho nhau qua phonon hay mạng tinh thể. Nguyên lí siêu dẫn Trong điều kiện nhiệt độ thấp tối thiểu, các điện tử tự do trong vật dẫn sẽ liên kết từng đôi một theo cặp điện tử. Khi mà số lượng cặp điện tử tương đối lớn thì nó sẽ vận động định hướng, các khoang tinh thể trong lòng các vật dẫn khó lòng ngăn chặn được, do đó mà hình thành dòng siêu dẫn không trở. V. Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao V.1 Oxit siêu dẫn Dấu ấn đầu tiên trong lịch sử phát hiện ra siêu dẫn có trong oxit đó là chất SrTiO3 do Schooley, Hooler và Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt độ chuyển pha TC = 0,25K và các hạt tải điện tử là n = 3.1019cm3. Hiện tượng này không nằm trong khuôn khổ của lý thuyết BCS. 17 năm sau người ta đã pha tạp Nb và SrTiO3 và đã nâng được nồng độ điện tử lên n = 1021cm3 và nhiệt độ chuyển pha TC = 1,3 K. 9 tháng sau, nhóm Matthias đã tìm thấy siêu dẫn trong NaxWO3 với x = 0,3; n = 1022cm3 và TC = 0,57K. Như vậy hiện tượng siêu dẫn đã xuất hiện trrong nhiều loại ôxit khác nhau với nồng độ electron đủ lớn. Năm 1965 hiện tượng siêu dẫn cũng được tìm thấy trong TiO và NbO với các nhiệt độ chuyển pha tương ứng là 0,65K và 1,25K. Năm 1973, Johnston và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong LiTi2O4 với TC = 11K. Năm 1975, Sleight và đồng nghiệp đã tìm ra siêu dẫn có trong hệ perovskite BaPb1xBixO3. Với x = 0,25 thì nồng độ hạt tải n = 2,4.1021cm3 và TC = 11,2K. Điều này cho phép dự đoán có thể tìm thấy siêu dẫn trong nhiều oxit khác nhau. Sau đó người ta thay K+1 vào Ba+2 trong chất cách điện BaBiO và tìm thấy TC = 30K trong hợp chất BaKBiO. Vậy là từ năm 1986 trở về trước người ta tìm được siêu dẫn tồn tại trong nhiều oxit kim loại nhưng không phải trong các hợp chất chứa oxit đồng. V.2 Chất siêu dẫn MgB2 Chẳng bao lâu nữa chất siêu dẫn mới magnesium diboride (MgB2) có thể được ứng dụng rộng rãi nhờ một kỹ thuật do các nhà nghiên cứu Mỹ phát triển. Kỹ thuật này giúp họ biến MgB2 thành những tấm màng cực mỏng. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu vô cùng sửng sốt khi MgB2 có thể dẫn điện ở nhiệt độ 2340C, cao hơn so với các chất siêu dẫn tương tự. Tuy nhiên, khó khăn nhất là biến chúng thành màng mỏng để sử dụng trong mạch điện tử siêu dẫn. Hiện giờ trở ngại trên đã được Thiếu Hạnh Tề cùng đồng nghiệp thuộc đại học Pennsylvania State khắc phục. Nhóm nghiên cứu vừa tìm ra một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để tạo ra những tấm màng mỏng MgB2 chất lượng cao. Theo nguyên tắc, các mạch tích hợp làm bằng chất bán dẫn có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn mạch bán dẫn như silicon, mở đường cho công nghệ thông tin tốc độ nhanh hơn. Một trong những công nghệ đó là thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference devices SQUIDs). Nó được sử dụng để dò từ trường rất nhỏ, chẳng hạn như trong kỹ thuật hình ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging MRI). Thật không may là các mạch và thiết bị này chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Chẳng hạn như SQUIDs được chế tạo từ niobium, và hợp kim này phải được làm lạnh bằng helium lỏng tới khoảng 2690C. Các đặc tính siêu dẫn của nó bị mất ở nhiệt độ cao. Do đó, các nhà nghiên cứu luôn muốn tìm những vật liệu có thể duy trì khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Vật liệu gốm có tên là oxide đồng Tc siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn MgB2 vài độ, song giá thành lại cao hơn MgB2. Trước đây có 2 phương pháp sản xuất màng siêu dẫn MgB2. + Phương pháp thứ nhất là nung nóng màng boron trong điều kiện có hơi magnesium, tạo cho màng boron có đặc tính siêu dẫn, song lại có bề mặt thô ráp. Các thiết bị như là SQUIDS thường cần nhiều lớp màng chồng lên nhau. Vì vậy, bề mặt thô ráp là một khiếm khuyết nghiêm trọng. + Phương pháp thứ hai là đồng thời ngưng tụ hơi magnesium và boron, tạo ra các tấm màng nhẵn song siêu dẫn ở nhiệt độ thấp hơn. Nhóm nghiên cứu của ông Tề làm bốc hơi các cục magnesium ở khoảng 7000C. Hơi magnesium sau đó kết hợp với diborane, một loại hợp chất dạng khí bao gồm boron và hydrogen, trong môi trường khí hydrogen áp suất cao. Màng MgB2 mỏng hình thành trên những chiếc đĩa làm bằng vật liệu cứng như sapphire hay silicon carbide. Chìa khoá ở đây là hydrogen. Nó ngăn không cho magnesium oxide ảnh hưởng tới các tấm màng cũng như khả năng siêu dẫn của chúng. VI. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn VI.1 Tàu chạy trên đệm từ Kể từ khi có sự phát minh ra siêu dẫn có rất nhiều sự quan tâm đặc biệt dành cho những ứng dụng trong lĩnh vực điện từ. Thực ra ứng dụng dựa vào đặc tính từ trường của nó được sử dụng nhiều và đa dạng hơn ứng dụng trong việc giảm bớt điện trở rất nhiều. Dựa vào nam châm siêu dẫn, người Nhật và người Đức thiết kế ra các đoàn tàu chạy trên đệm từ. Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3 4 công nghệ tàu chạy trên đệm từ khác nhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện phép nâng điện động lực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trên con tàu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông. Sau đây là một hình mẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có thông số kỹ thuật: tàu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu chở 100 khách chạy trong một giờ. Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con tàu lên 10 cm khỏi đường ray. Đường ray có mặt cắt hình chữ U, trên nó có lắp 3 cuộn dây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tàu. Nam châm siêu dẫn đặt trên tàu và đặt trong những bình chứa Helium đã hoá lỏng, tạo ra nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tàu bổng lên trong khung đường ray chữ U. Tàu đệm từ Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa hai cực Nam Bắc của cuộn dây và nam châm, con tàu cứ thế tiến lên phía trước. Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng điện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm điều khiển. Để hãm tàu, người ta làm cách hãm như trên máy bay. Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừa thử nghiệm trong 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD. Hệ thống trên đôi khi còn được gọi là hệ thống Vận tải trên bộ tốc độ cao (High Speed Surface transport HSST). Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tàu Transrapid chạy trên đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo công nghệ hơi khác người Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của những thanh nam châm đặt trên tàu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới và hai bên đường tàu hình chữ T. Ước vận tốc đạt 450 kmgiờ chạy trên đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũng đã và đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn. Sơ đồ hoạt động của tàu chạy trên đệm từ Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 đã được thử nghiệm với vận tốc 581kmgiờ. Tuy nhiên các nhà khoa học cũng cảnh báo rằng các phương tiện giao thông sử dụng công nghệ này có thể gây nguy hiểm đến hệ sinh thái do từ trường rất mạnh. Tàu Yamanashi MLX01 VI.2 Máy quét MRI MRI (Magnetic Resonance Imaging) là loại máy sử dụng nam câm siêu dẫn để có một từ trường đủ mạnh để cho nguyên tử hydro bên trong chất béo của con người và các phân tử nước được tăng lên mức năng lượng nào đó có thể đo được bằng các dụng cụ đặc biệt. Dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm thanh) để khám các mô trong cơ thể người. Khi bác sĩ cần kiểm tra những gì đang diễn ra trong cơ thể người bệnh, họ phải đặt vào trong cơ thể một nguồn từ trường mạnh có nguồn gốc siêu dẫn. Bằng cách này các nguyên tử hiđrô có trong nước và mỡ sẽ bị buộc phải chấp nhận năng lượng của từ trường. Sau đó các nguyên tử hiđrô sẽ giải phóng năng lượng này ra theo tần số mà máy tính có thể nhận biết và vẽ nên biểu đồ. Công nghệ MRI đã ra đời vào giữa những năm 1940 và được thử nghiệm lần đầu tiên trên người vào năm 1977. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, kỹ thuật này phải mất đến 5 tiếng mới tạo ra được 1 hình ảnh. Dù vậy, công nghệ này vẫn làm vinh danh 2 nhà nghiên cứu khoa học Felix Bloch và Edward Purcell với giải Nobel Vật lý năm 1952. Đến năm 1986, công nghệ MRI cho ra hình ảnh chỉ trong vòng 5 giây. Năm 1992, công nghệ này đã có thể lập nên bản đồ của nhiều vùng chức năng trong não. Quá trình nghiên cứu và cải tiến công nghệ MRI non trẻ đã mang lại cho 3 nhà khoa học khác 1 giải Nobel Hoá học năm 1991 và giải Nobel Y khoa năm 2003.Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID). Thiết bị SQUID là thiết bị nhận biết nhạy cảm nhất được biết đến hiện nay trong khoa học được sủ dụng để đo từ trường Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group đã nâng công nghệ MRI lên một tầng cao mới với sự phát triển của thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference Device = máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) trong công nghệ lập bản đồ các vùng chức năng của não (MEG). Thiết bị này có thể cảm nhận được sự thay đổi rất nhỏ của từ trường, nhỏ hơn cả 1 phần tỉ lần lực để di chuyển cái kim của compa. Với công nghệ mới này, bác sĩ có thể thăm dò cơ thể người đến 1 mức độ nhất định mà không cần sử dụng từ trường mạnh như của công nghệ MRI. Đây là một máy dò nhạy nhất về các tín hiệu trường điện từ. Thiết bị là sự ghép nối của hai tiếp xúc Josephson và có thể đo các từ trường nhỏ tới 110 tỷ của từ trường trái đất. Được ứng dụng để đo các tín hiệu từ trường cực nhỏ như: dò xung của các dây thần kinh trong xương và bắp thịt, thăm dò khoáng sản và dầu trong lòng trái đất và đại dương. Còn có khả năng phát hiện dò tìm, truyền thông tin dưới biển phục vụ cho công nghiệp quốc phòng và nghiên cứu hải dương học. Sử dụng hệ thống này dễ dàng kiểm tra được đối tượng mà không làm hại đến các quá trình công nghiệp. VI.3 Máy gia tốc hạt Một ứng dụng quan trọng khác nữa là, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử. Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những mảnh sinh ra do những va đập mạnh đó; người ta gọi đó là siêu va đập siêu dẫn, dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một máy gia tốc cực mạnh trong đường hầm dài 88 km ở bang Texec để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất. VI.4 Truyền tải điện năng Hiện nay các đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao đã dược xây dựng ở một số nước tiên tiến như Mỹ, Nhật,… tải điện bằng cáp siêu dẫn có lợi rất lớn so với đường dây tải điện thông thường. Có khả năng tải dòng rất lớn và không bị hao tổn năng lượng trong quá trình tải điện. Thực nghiệm cho thấy dây cáp được làm lạnh trong trạng thái siêu dẫn có thể tải dòng lớn gấp 3 lần trong dây cáp đồng bình thường với đường kính dây và hiệu điện thế giống nhau, và có thể truyền đi rất xa mà không bị tốn kém. Cáp siêu dẫn có thể tải năng lượng địa nhiệt, năng lượng điện hydro và năng lượng mặt trời, năng lượng lấy từ than đá hoặc năng lượng hạt nhân từ nguồn đến các trung tâm dân cư sử dụng hoặc nơi tiêu thụ. VI.5 Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch Pháp và Nhật Bản đang cạnh tranh quyết liệt để được lựa chọn là nơi xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế (ITER) trị giá 5 tỷ USD. Nó có thể là thí nghiệm lớn cuối cùng trước khi một nhà máy điện nhiệt hạch chính thức được xây dựng trên thế giới. ITER là dự án hợp tác giữa Liên minh châuÂu, Nhật Bản, Nga, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc và Mỹ. Các nước này sẽ bỏ phiếu lựa chọn vào tháng tới. Mục đích của lò phản ứng ITER là tái tạo trên trái đất tiến trình cung cấp năng lượng cho mặt trời và những vì sao khác: phản ứng nhiệt hạch. Nó sẽ nung nóng hỗn hợp gồm deuterium và tritium hai đồng vị của hydrogen tới 200 triệu độ C. Các nam châm siêu dẫn sẽ giữ plasma ở giữa không trung trong lò phản ứng tokamak hình bánh rán. ITER sẽ là lò phản ứng nhiệt hạch đầu tiên tạo nhiệt. Nhiệt đó có thể sánh với nhiệt được tạo ra từ các nhà máy điện thông thường. Deuterium và tritium là nhiên liệu rẻ tiền và dồi dào. Deuterium được tách từ nước biển trong khi tritium được sản xuất từ nguyên tố phổ biến lithium. Khi được nung nóng, hai nhiên liệu này sẽ hợp nhất với nhau để tạo helium và các neutron tốc độ cao. Nhiệt do neutron tạo ra sẽ được sử dụng để vận hành turbine. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng của các ngôi sao giống như mặt trời. Mặt trời có một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi. Áp lực lớn và nhiệt độ 16 triệu độ C buộc hạt nhân nguyên tử hoá hợp và giải phóng năng lượng. Ước tính có 4 tỷ tấn vật chất được biến thành ánh sáng mặt trời mỗi giây. Nếu Pháp giành thắng lợi, ITER sẽ được xây dựng tại Cadarache. Trong trường hợp ngược lại, ITER sẽ nằm tại Rokkasho, Nhật Bản. Lò phản ứng nhiệt hạch là bước tiến quan trọng trong việc phát triển năng lượng hạt nhân. Nó không có khả năng gây ô nhiễm như lò phản ứng hạt nhân sử dụng plutonium và uranium hiện nay. Mô hình ITER VI.6 Siêu máy tính Tổ chức Khoa học tự nhiên cùng với NASA, DARPA và một số trường đại học đang nghiên cứu máy tính “petaflop”. Máy tính này có thể thực hiện một nghìn tỷ tỷ thao tác 1 giây nhờ các nút bấm tí hon làm bằng chất siêu dẫn. Máy tính nhanh nhất hiện nay mới chỉ đạt được tốc độ “teraflop”. Kỷ lục hiện nay thuộc về IBM Blue GeneL với tốc độ 70,7 teraflopgiây. Siêu máy tính IBM Blue GeneL Các máy tính sử dụng linh kiện bằng chất siêu dẫn có ưu điểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh. Các mạch điện đóng mở nhanh và có thể tích nhỏ. Trong các máy tính siêu dẫn các đường truyền là các vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn. Ví dụ trong tiếp xúc Josephson, công tắc siêu dẫn chỉ đóng mở trong 6 pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn). VI.7 Ăng ten mini Miniature Antennas Người ta chế tạo các cần ăngten siêu nhỏ bằng chất siêu dẫn và đưa vào sử dụng. Ăngten làm bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao chỉ có kích thước bằng 5% các loại ăngten thông thường. Ăngten mini này làm việc theo nguyên lý mạch xuyên ngầm và có độ nhạy gấp 20 lần các loại ăngten khác. Ví dụ ăngten siêu dẫn nhiệt độ cao dài 2,6 inch có thể thay cho ăngten thông thường dài 52 inch sử dụng để bắt tần số FM. VI.8 Máy phát điện siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn giống như các turbin thông thường. Sự điều khiển và hoạt động của máy phát điện siêu dẫn giống như turbin về mặt nguyên lý.Nhưng sự khác nhau cơ bản là motor siêu dẫn được bao bọc trong một buồng chân không quay tròn.Chất lỏng Hêli (hoặc nitơ) được bơm vào buồng chân không bằng lực hướng tâm đẻ duy trì nhiệt độ của motor ở trạng thái siêu dẫn. Máy phát điện siêu dẫn đã chứng tỏ tính năng tốt, giá thành hạ hơn so với máy phát điện thông thường 300MW,và hiệu suất của nó được nâng từ 98% lên 99%. Mặt khác, máy phát điện siêu dẫn có kích thước chỉ bằng một nửa máy phát điện thường và giá rẻ hơn cõ 40%. VI.9 Động cơ siêu dẫn Người ta chế tạo các motor siêu dẫn dựa trên cơ sở của hiệu ứng Messner. Tính chất của các motor siêu dẫn là gây nên sự đẩy các đường từ thông. Khi nam châm trở thành gần đến trạng thái siêu dẫn, thì chất siêu dẫn sẽ đẩy nó. Sức đẩy này sử dụng để lái rotơ trong motor điện. Các motor siêu dẫn rất rắn chắc và có kích thước cỡ 13 kích thước motor thường. Sự mất mát dòng trong motor siêu dẫn ước tính giảm đi cỡ 50% so với motor thường. Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng cả trong công nghiệp sản xuất ôtô, các loại bom, quạt, các máy thổi, các máy cơ khí, máy nghiền và rất nhiều phương tiện khác. VI.10 Tàu thủy siêu dẫn Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã sử dụng motor siêu dẫn để chạy tàu thủy và đạt được đến vận tốc 60mph. Họ đã sử dụng năng lượng trường điện từ được tạo ra bằng nam châm siêu dẫn để chạy tàu thủy. Các từ trường này có thể đẩy tàu thủy và tàu ngầm dưới nước với tốc độ cao. Tàu ngầm mang năng lượng hạt nhân cũng có thể sử dụng hệ thống đẩy từ thủy động lực (MHD). VI.11 Thiết bị xử lí tín hiệu Có thể phát triển các máy xử lý tín hiệu tốc đọ cao bằng việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Máy này hoạt động với độ nhạy gấp 50 lần các thiết bị xử lý tín hiệu thông thường. VI.12 Ô tô điện Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho các ôtô điện và máy kéo. Điện năng được tích trữ trong bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn, thiết bị được lắp đặt trên các phương tiện truyền tải. Các trạm gas sẽ trở thành các trạm tái nạp điện. Các ôtô và máy kéo này chạy êm, hiệu suất năng lượng cao và không làm ô nhiễm môi trường. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở nhiệt độ phòng trong tương lai sẽ làm tăng hiệu quả và giá thành cho việc ứng dụng này. VI.13 Lò phản ứng nhiệt hạch từ Để sử dụng cho các thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ. Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể sản sinh ra từ trường lên đến 11 testla. Trạng thái plasma của khí gas nóng được đưa vào bên trong từ trường. Phản ứng nóng chảy tự xuất hiện khi plassma nóng lên và ngưng đọng lại. Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ làm giảm tổng năng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm và đơn giản hóa hệ thống làm lạnh. VI.14 Các băng siêu dẫn Các nhà khoa học Mỹ đã sản xuất các băng siêu dẫn có độ đàn hồi thích hợp và mật độ dòng tới hạn đạt đến 1000 Acm2 ở 77K và ở mẫu khối có thể đạt 17.000 Acm2 ở 77K trong từ trường bằng 0 và 4000 Acm2 trong từ trường 1 testla. Lời kết Hiện tượng siêu dẫn thực sự là một vấn đề nóng bỏng mà giới khoa học quan tâm, và các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Siêu dẫn là một đề tài rất rộng lớn, tài liệu này do nhóm chúng tôi thực hiện cũng chỉ là một số vấn đề liên quan về hiện tượng này, do thời gian hạn hẹp cũng như khả năng có hạn nên tài liệu cũng còn một số vấn đề chưa đề cập đến, cũng còn những thiếu sót không thể tránh khỏi. Hy vọng sẽ được sự ủng hộ và góp ý của thầy và các bạn. Cảm ơn thầy và các bạn đã dành thời gian để đọc.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - - VẬT LIỆU SIÊU DẪN ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC ĐỜI SỐNG (Môn học: Vật liệu điện - điện tử) Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phạm Xn Hổ Nhóm thực hiện: Nguyễn Hồi Phong 16142178 Trần Viết Phi 16142174 Nguyễn Tấn Minh 16142147 Trần Ngọc Vũ Kha 16142127 TP Hồ Chí Minh 02-11-2017 Mục lục Lời mở đầu - Lý chọn đề tài - I Hiện tượng siêu dẫn .- I.1 Khái niệm tượng siêu dẫn - I.2 Điện trở không - I.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha - I.4 Ví dụ tượng vật lí .- - II Lịch sử phát chất siêu dẫn - III Các chất siêu dẫn - 13 III.1 Hiệu ứng Meissner - 13 III.2 Từ trường tới hạn - 16 III.3 Phân loại siêu dẫn - 16 III.4 Độ dẫn điện chất siêu dẫn - 18 III.4 Phân biệt vật liệu siêu dẫn vật dẫn điện hoàn hảo - 19 - IV Lý thuyết BCS - 19 V Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao - 21 V.1 Oxit siêu dẫn - 21 V.2 Chất siêu dẫn MgB2 - 21 - VI Các ứng dụng vật liệu siêu dẫn - 23 VI.1 Tàu chạy đệm từ .- 23 VI.2 Máy quét MRI - 25 - VI.3 Máy gia tốc hạt .- 27 VI.4 Truyền tải điện - 27 VI.5 Nam châm siêu dẫn lò phản ứng nhiệt hạch - 27 VI.6 Siêu máy tính - 29 VI.7 Ăng ten mini Miniature Antennas - 29 VI.8 Máy phát điện siêu dẫn - 29 VI.9 Động siêu dẫn - 30 VI.10 Tàu thủy siêu dẫn - 30 VI.11 Thiết bị xử lí tín hiệu - 30 VI.12 Ơ tơ điện .- 30 VI.13 Lò phản ứng nhiệt hạch từ - 31 VI.14 Các băng siêu dẫn - 31 - Lời kết .- 32 - Lời mở đầu Đề tài “Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học – đời sống” nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học – đời sống Trong tài liệu này, chúng em có trình bày vài nét trình lịch sử phát chất siêu dẫn, lý thuyết liên quan, khái niệm, đặc điểm điển hình tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn cuối ứng dụng cụ thể khoa học – đời sống Có thể giúp bạn có nhìn cụ thể tượng này, biết điều lạ, thú vị việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ đại Hy vọng tài liệu tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên, người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn – vấn đề nhiều điều kỳ bí Lý chọn đề tài Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ, nhiệt độ giảm điện trở kim loại giảm giảm Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất Một đặc tính kỳ diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu không, độ dẫn điện trở nên vô Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý thú phát lần thủy ngân cách gần kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K) Sau này, tính chất siêu dẫn tìm thấy hàng loạt kim loại, hợp kim hợp chất Ngồi đặc tính siêu dẫn, người ta phát thấy với chất siêu dẫn từ trường bên ln ln khơng có tượng xun ngầm lượng tử… Với đặc tính nêu trên, chất siêu dẫn ứng dụng nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao chế tạo Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng bệnh viện để chuẩn đốn xác bệnh tật người không sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao phát cách 20 năm mở triển vọng to lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Để sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi 77 K hay -196οC) với giá thành hạ hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường Chất siêu dẫn có số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn cơng nghệ cao, chúng khơng có điện trở Về ngun tắc, dòng điện bắt đầu chạy vòng siêu dẫn, gần chạy Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang lượng điện lớn dây điện dây cáp tiêu chuẩn Vì vậy, thành phần siêu dẫn nhỏ nhiều so với chất khác Và điều quan trọng chất siêu dẫn không biến điện thành nhiệt Điều đồng nghĩa với việc máy phát chip máy tính siêu dẫn hoạt động hiệu nhiều so với Các khả ứng dụng tiềm tàng chất siêu dẫn rộng rãi quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh chất siêu dẫn so sánh với việc phát minh lượng nguyên tử, việc chế tạo dụng cụ bán dẫn; chí số nhà khoa học so sánh vơi việc phát minh điện Các vật liệu siêu dẫn đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, công nghệ kinh tế đời sống xã hội Các vấn đề tượng siêu dẫn vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm Hơn hai mươi năm qua, nhà vật lý khơng thể lý giải cách xác tượng siêu dẫn nhiệt độ cao dường xảy nhóm đặc biệt hợp chất dựa đồng (Cu) xảy Và đây, nhà khoa học Nhật Bản khám phá loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn dựa sắt mà cho phép nhà vật lý cách thức để tìm hiểu cách dễ dàng tượng – làm sáng tỏ điểm quan trọng tượng đầy bí ẩn vật lý chất rắn Chúng ta thấy tượng siêu dẫn mang đến cho khoa học đời sống ứng dụng rộng rãi to lớn Ngày khoa học kĩ thuật đang phát triển đòi hỏi nhà khoa học phải vận dụng khai thác tối đa ứng dụng chất siêu dẫn để phục vụ cho người lĩnh vực Qua thấy ứng dụng chất siêu dẫn khơng xa lạ với người Hiện tượng siêu dẫn mang đến sức hút kì lạ cho biết đến mong muốn khám phá ứng dụng rộng rãi kì diệu Và lí để nhóm định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học đời sống” với mong muốn nâng cao hiểu biết vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng siêu dẫn Nội dung I Hiện tượng siêu dẫn I.1 Khái niệm tượng siêu dẫn Siêu dẫn tượng vật lí xảy số vật liệu nhiệt độ đủ thấp từ trường đủ nhỏ, đặc trưng điện trở dẫn đến suy giảm nội từ trường Siêu dẫn tượng lượng tử Hiện tượng siêu dẫn tượng mà điện trở chất đột ngột giảm nhiệt độ xác định Ở nhiệt độ xác định Tc điện trở chất đột ngột biến mất, nghĩa chất cho phép dòng điện chảy qua trạng thái khơng có điện trở, trạng thái gọi trạng thái siêu dẫn Chất có biểu trạng thái siêu dẫn gọi chất siêu dẫn Sự điện trở chất siêu dẫn nhiệt độ thấp Trong chất siêu dẫn thông thường, siêu dẫn tạo cách tạo lực hút số electron truyền dẫn nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho electron dẫn chất siêu dẫn biểu pha siêu lỏng tạo từ cặp electron tương quan Ngồi tồn lớp vật chất, biết đến chất siêu dẫn khác thường, phơ bày tính chất siêu dẫn tính chất vật lý trái ngược lý thuyết chất siêu dẫn đơn Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn nhiệt độ cao lý thuyết thường biết (nhưng thấp nhiều so với nhiệt độ phòng) Hiện chưa có lý thuyết hoàn chỉnh chất siêu dẫn nhiệt độ cao I.2 Điện trở không Về nguyên tắc, nhiệt độ chuyển pha, điện trở chất siêu dẫn xem hoàn toàn biến Vậy thực chất: trạng thái siêu dẫn, điện trở có giá trị nhỏ? Tất nhiên, khơng thể chứng minh thực nghiệm điện trở thực tế 0, điện trở nhiều chất trạng thái siêu dẫn nhỏ độ nhạy mà thiết bị đo cho phép ghi nhận Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh xuyến siêu dẫn khép kín, nhận thấy dòng điện khơng suy giảm sau thời gian dài Giả thiết tự cảm xuyến L, thời điểm t = ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, thời gian muộn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: i(t) = i(0)e(-R/L)t Ở đây, R điện trở xuyến Chúng ta đo từ trường tạo dòng điện bao quanh xuyến Phép đo từ trường không lấy lượng từ mạch điện mà cho ta khả quan sát dòng điện ln chuyển khơng thay đổi theo thời gian xác định điện trở kim loại siêu dẫn cỡ < 10 -26 Ωm Giá trị thỏa mãn kết luận điện trở kim loại siêu dẫn I.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes khảo sát điện trở kim loại khác vùng nhiệt độ Heli Khi nghiên cứu điện trở thủy ngân (Hg) phụ thuộc nhiệt độ, ông quan sát rằng: Điện trở Hg trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234K (-3900C) 39,7Ω Trong trạng thái lỏng 0 (cỡ 273K) có giá trị 172,7Ω, gần 4K có giá trị 8.10 -2 Ω T ~ 3K có giá nhỏ 3.10 -6 Ω Như coi nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở Hg biến (hoặc xắp xỉ không) Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở chất đột ngột biến mất, nghĩa chất cho phép dòng điên chạy qua trạng thái khơng có điện trở, trạng thái gọi trạng thái siêu dẫn Chất có biểu trạng thái siêu dẫn gọi chất siêu dẫn Nhiệt độ mà điện trở hồn tồn biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu T C) Có thể hiểu nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nhiệt độ mà chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn Khoảng nhiệt độ từ điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến không gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu ∆T) Ví dụ độ rộng chuyển pha Hg ∆T = 5.10-2 K Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào chất vật liệu siêu dẫn I.4 Ví dụ tượng vật lí 21 Vật liệu siêu dẫn loại II Dựa vào hiệu ứng Meissner: + Siêu dẫn loại I: hoàn toàn + Siêu dẫn loại II: khơng hồn tồn đúng, siêu dẫn loại II tồn vùng trung gian (vùng hỗn hợp) III.4 Độ dẫn điện chất siêu dẫn Độ dẫn nhiệt (k) kim loại vấn dề phức tạp Đây tốn q trình khơng cần với thành phần da dạng Ta biết rằng, lượng nhiệt truyền kim loại điện tử photon Quá trình truyền nhiệt trình truyền nhiệt va chạm loại hạt tải với loại đó, với loại hạt tải khác, với sai hỏng mạng biên hạt Cơ chế phụ thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu Ở trạng thái siêu dẫn phụ thuộc vào từ trường xốy từ Vì vậy, khó làm sáng tỏ đóng góp vào độ dẫn nhiệt vật trạng thái siêu dẫn, mà xác định thành phần tương đối đơn giản để phân tích q trình thực nghiệm Các kết thực nghiệm cho rằng: 22 Thông thường độ dẫn nhiệt (k) trạng thái siêu dẫn thấp nhiều so với trạng thái thường Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt vật liệu (kSD ) giảm mạnh vùng nhiệt độ T < TC Về mặt định lượng, giả định mơ hình hai chất lỏng Bản chất là: Khi nhiệt độ giảm, nồng độ chất siêu chảy điện tử tăng lên (electron superfluid) Chất siêu chảy điện tử Heli lỏng không mang lượng độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ Trong nhiều chất siêu dẫn T < T C độ dẫn nhiệt giảm giảm xuống xấp xỉ Như vậy, cho điện tử siêu dẫn khơng đóng vai trò dẫn nhiệt Tính chất khơng áp dụng để chế tạo công tắc nhiệt siêu dẫn kĩ thuật nhiệt độ thấp Trong số hợp kim hợp chất siêu dẫn, người ta quan sát thấy độ dẫn nhiệt tăng vùng chuyển pha, sau giảm theo nhiệt độ Hiện tượng Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, trình chuyển pha siêu dẫn có tán xạ nhẹ sóng phonon lên điện tử làm tăng б SD (độ dẫn nhiệt) Các sóng dần theo giảm nhiệt trạng thái siêu dẫn III.4 Phân biệt vật liệu siêu dẫn vật dẫn điện hoàn hảo Từ trường bên vật dẫn điện hoàn hảo vật siêu dẫn tác động mơi trường ngồi nhiệt độ phòng nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ nhiệt độ Curi) Từ trường bị đẩy khỏi vật siêu dẫn nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Trạng thái vật siêu dẫn nhiệt độ thấp trạng thái không thuận nghịch IV Lý thuyết BCS Nhiều lý thuyết trước dựa sở tương tác trực tiếp lẫn qua tương tác đẩy coulumb 23 Hiệu ứng đồng vị cho biết nhiệt độ tới hạn Tc phụ thuộc vào khối lượng hạt nhân BCS không dựa đặc trưng đẩy coulomb mà dựa tương tác electron-phonon Đặc trưng tương tác hút điện tử - điện tử dẫn đến xuất đôi điện tử liên kết Tương tác điện tử dựa tương tác phonon nghĩa điện tử phát phonon làm biến dạng mạnh điện tử bắt lấy để điều chỉnh biến dạng Và điện tử trao đổi lượng xung lượng cho qua phonon hay mạng tinh thể Nguyên lí siêu dẫn Trong điều kiện nhiệt độ thấp tối thiểu, điện tử tự vật dẫn liên kết đôi theo cặp điện tử Khi mà số lượng cặp điện tử tương đối lớn vận động định hướng, khoang tinh thể lòng vật dẫn khó lòng ngăn chặn được, mà hình thành dòng siêu dẫn không trở 24 V Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao V.1 Oxit siêu dẫn Dấu ấn lịch sử phát siêu dẫn có oxit chất SrTiO Schooley, Hooler Cohen tìm thấy năm 1964 với nhiệt độ chuyển pha T C = 0,25K hạt tải điện tử n = 3.1019/cm3 Hiện tượng không nằm khuôn khổ lý thuyết BCS 17 năm sau người ta pha tạp Nb SrTiO nâng nồng độ điện tử lên n = 1021/cm3 nhiệt độ chuyển pha T C = 1,3 K tháng sau, nhóm Matthias tìm thấy siêu dẫn NaxWO3 với x = 0,3; n = 1022/cm3 TC = 0,57K Như tượng siêu dẫn xuất trrong nhiều loại ôxit khác với nồng độ electron đủ lớn Năm 1965 tượng siêu dẫn tìm thấy TiO NbO với nhiệt độ chuyển pha tương ứng 0,65K 1,25K Năm 1973, Johnston đồng nghiệp tìm siêu dẫn có LiTi 2O4 với TC = 11K Năm 1975, Sleight đồng nghiệp tìm siêu dẫn có hệ perovskite BaPb 1BixO3 Với x = 0,25 nồng độ hạt tải n = 2,4.10 21/cm3 TC = 11,2K Điều cho x phép dự đốn tìm thấy siêu dẫn nhiều oxit khác Sau người ta thay K+1 vào Ba+2 chất cách điện BaBiO tìm thấy T C = 30K hợp chất Ba-K-BiO Vậy từ năm 1986 trở trước người ta tìm siêu dẫn tồn nhiều oxit kim loại hợp chất chứa oxit đồng V.2 Chất siêu dẫn MgB2 Chẳng chất siêu dẫn magnesium diboride (MgB 2) ứng dụng rộng rãi nhờ kỹ thuật nhà nghiên cứu Mỹ phát triển Kỹ thuật giúp họ biến MgB2 thành màng cực mỏng Năm ngoái, nhà nghiên cứu vô sửng sốt MgB dẫn điện nhiệt độ 2340C, cao so với chất siêu dẫn tương tự Tuy nhiên, khó khăn biến chúng thành màng mỏng để sử dụng mạch điện tử siêu dẫn Hiện trở ngại Thiếu Hạnh Tề đồng nghiệp thuộc đại học Pennsylvania State khắc phục 25 Nhóm nghiên cứu vừa tìm phương pháp đơn giản rẻ tiền để tạo màng mỏng MgB2 chất lượng cao Theo nguyên tắc, mạch tích hợp làm chất bán dẫn hoạt động với hiệu suất cao mạch bán dẫn silicon, mở đường cho công nghệ thông tin tốc độ nhanh Một cơng nghệ thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference devices - SQUIDs) Nó sử dụng để dò từ trường nhỏ, chẳng hạn kỹ thuật hình ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging - MRI) Thật không may mạch thiết bị hoạt động nhiệt độ cực thấp Chẳng hạn SQUIDs chế tạo từ niobium, hợp kim phải làm lạnh helium lỏng tới khoảng -2690C Các đặc tính siêu dẫn bị nhiệt độ cao Do đó, nhà nghiên cứu ln muốn tìm vật liệu trì khả siêu dẫn nhiệt độ cao Vật liệu gốm có tên oxide đồng Tc siêu dẫn nhiệt độ cao MgB2 vài độ, song giá thành lại cao MgB2 Trước có phương pháp sản xuất màng siêu dẫn MgB2 + Phương pháp thứ nung nóng màng boron điều kiện có magnesium, tạo cho màng boron có đặc tính siêu dẫn, song lại có bề mặt thơ ráp Các thiết bị SQUIDS thường cần nhiều lớp màng chồng lên Vì vậy, bề mặt thơ ráp khiếm khuyết nghiêm trọng + Phương pháp thứ hai đồng thời ngưng tụ magnesium boron, tạo màng nhẵn song siêu dẫn nhiệt độ thấp Nhóm nghiên cứu ơng Tề làm bốc cục magnesium khoảng 700 0C Hơi magnesium sau kết hợp với diborane, loại hợp chất dạng khí bao gồm boron hydrogen, mơi trường khí hydrogen áp suất cao Màng MgB mỏng hình thành đĩa làm vật liệu cứng sapphire hay silicon carbide Chìa khố hydrogen Nó ngăn khơng cho magnesium oxide ảnh hưởng tới màng khả siêu dẫn chúng 26 VI Các ứng dụng vật liệu siêu dẫn VI.1 Tàu chạy đệm từ Kể từ có phát minh siêu dẫn có nhiều quan tâm đặc biệt dành cho ứng dụng lĩnh vực điện từ Thực ứng dụng dựa vào đặc tính từ trường sử dụng nhiều đa dạng ứng dụng việc giảm bớt điện trở nhiều Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật người Đức thiết kế đoàn tàu chạy đệm từ Người Nhật thử nghiệm với khoảng - công nghệ tàu chạy đệm từ khác nhau, lấy tên Maglev dựa theo: thực phép nâng điện - động lực học cách tạo từ trường đối nam châm siêu dẫn đặt tàu cuộn dây lắp đường ray hình chữ U bê tơng Sau hình mẫu nhiều triển vọng thử nghiệm đến lần thứ ba, có thơng số kỹ thuật: tàu chạy từ Tokyo đến Osaka cách khoảng 500km, mục tiêu chở 100 khách chạy Từ trường nam châm siêu dẫn tạo cực mạnh đủ để nâng tàu lên 10 cm khỏi đường ray Đường ray có mặt cắt hình chữ U, có lắp cuộn dây từ, cung cấp điện trạm nguồn đặt đất dọc đường tàu Nam châm siêu dẫn đặt tàu đặt bình chứa Helium hố lỏng, tạo nhiệt độ thấp 269 độ khơng độ, có dòng điện qua, sinh từ trường khoảng 4,23 tesla nâng tàu bổng lên khung đường ray chữ U Tàu đệm từ 27 Nhờ lực hút lực đẩy xen kẽ hai cực Nam - Bắc cuộn dây nam châm, tàu tiến lên phía trước Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnh biến đổi tần số dòng điện cuộn dây từ đến 50 Hz điều chỉnh tốc độ từ xa trung tâm điều khiển Để hãm tàu, người ta làm cách hãm máy bay Người Nhật phải vừa sản xuất vừa thử nghiệm năm với kinh phí tỷ USD Hệ thống đơi gọi hệ thống "Vận tải tốc độ cao" (High Speed Surface transport - HSST) Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo tàu "Transrapid" chạy đệm từ theo nguyên lý phát minh từ năm 1960 theo công nghệ khác người Nhật đôi chút, phương pháp nâng điện từ nhờ tác động nam châm đặt tàu, với nam châm vô kháng chạy bên hai bên đường tàu hình chữ T Ước vận tốc đạt 450 km/giờ chạy đường Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng tỷ USD Ngoài ra, người Pháp quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc siêu dẫn Sơ đồ hoạt động tàu chạy đệm từ Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 thử nghiệm với vận tốc 581km/giờ Tuy nhiên nhà khoa học cảnh báo phương tiện giao thông sử dụng công nghệ gây nguy hiểm đến hệ sinh thái từ trường mạnh 28 Tàu Yamanashi MLX01 VI.2 Máy quét MRI MRI (Magnetic Resonance Imaging) loại máy sử dụng nam câm siêu dẫn để có từ trường đủ mạnh nguyên tử hydro bên chất béo người phân tử nước tăng lên mức lượng đo dụng cụ đặc biệt Dùng y học (quét ảnh cách đo tiếng dội lại âm thanh) để khám mô thể người Khi bác sĩ cần kiểm tra diễn thể người bệnh, họ phải đặt vào thể nguồn từ trường mạnh có nguồn gốc siêu dẫn Bằng cách nguyên tử hiđrơ có nước mỡ bị buộc phải chấp nhận lượng từ trường Sau ngun tử hiđrơ giải phóng lượng theo tần số mà máy tính nhận biết vẽ nên biểu đồ Công nghệ MRI đời vào năm 1940 thử nghiệm lần người vào năm 1977 Tuy nhiên, thời điểm đó, kỹ thuật phải đến tiếng tạo hình ảnh Dù vậy, công nghệ làm vinh danh nhà nghiên cứu khoa học Felix Bloch Edward Purcell với giải Nobel Vật lý năm 1952 Đến năm 1986, cơng nghệ MRI cho hình ảnh vòng giây Năm 1992, cơng nghệ lập nên đồ nhiều vùng chức não Q trình nghiên cứu cải tiến cơng nghệ MRI non trẻ mang lại cho nhà khoa học khác giải 29 Nobel Hoá học năm 1991 giải Nobel Y khoa năm 2003.Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) Thiết bị SQUID thiết bị nhận biết nhạy cảm biết đến khoa học sủ dụng để đo từ trường Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group nâng cơng nghệ MRI lên tầng cao với phát triển thiết bị SQUID (Superconducting Quantum Interference Device = máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) công nghệ lập đồ vùng chức não (MEG) Thiết bị cảm nhận thay đổi nhỏ từ trường, nhỏ phần tỉ lần lực để di chuyển kim compa Với cơng nghệ này, bác sĩ thăm dò thể người đến mức độ định mà không cần sử dụng từ trường mạnh cơng nghệ MRI Đây máy dò nhạy tín hiệu trường điện từ Thiết bị ghép nối hai tiếp xúc Josephson đo từ trường nhỏ tới 1/10 tỷ từ trường trái đất Được ứng dụng để đo tín hiệu từ trường cực nhỏ như: dò xung dây thần kinh xương bắp thịt, thăm dò khống sản dầu lòng trái đất đại dương Còn có khả phát dò tìm, truyền thơng tin biển phục vụ cho cơng nghiệp quốc phòng nghiên cứu hải dương học Sử dụng hệ thống dễ dàng kiểm tra đối tượng mà khơng làm hại đến q trình công nghiệp 30 VI.3 Máy gia tốc hạt Một ứng dụng quan trọng khác là, tạo máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc nguyên tử Người ta dùng nam châm cực mạnh để bẻ cong chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua nghiên cứu "mảnh" sinh va đập mạnh đó; người ta gọi "siêu va đập siêu dẫn", dựa theo nguyên tắc này, nhà khoa học Mỹ tiến hành xây dựng "máy gia tốc cực mạnh" đường hầm dài 88 km bang Texec để nghiên cứu hạt vật chất VI.4 Truyền tải điện Hiện đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao dược xây dựng số nước tiên tiến Mỹ, Nhật,… tải điện cáp siêu dẫn có lợi lớn so với đường dây tải điện thơng thường Có khả tải dòng lớn không bị hao tổn lượng trình tải điện Thực nghiệm cho thấy dây cáp làm lạnh trạng thái siêu dẫn tải dòng lớn gấp lần dây cáp đồng bình thường với đường kính dây hiệu điện giống nhau, truyền xa mà khơng bị tốn Cáp siêu dẫn tải lượng địa nhiệt, lượng điện hydro lượng mặt trời, lượng lấy từ than đá lượng hạt nhân từ nguồn đến trung tâm dân cư sử dụng nơi tiêu thụ VI.5 Nam châm siêu dẫn lò phản ứng nhiệt hạch Pháp Nhật Bản cạnh tranh liệt để lựa chọn nơi xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế (ITER) trị giá tỷ USD Nó thí nghiệm lớn cuối trước nhà máy điện nhiệt hạch thức xây dựng giới ITER dự án hợp tác Liên minh châuÂu, Nhật Bản, Nga, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc Mỹ Các nước bỏ phiếu lựa chọn vào tháng tới Mục đích lò phản ứng ITER tái tạo trái đất tiến trình cung cấp lượng cho mặt trời khác: phản ứng nhiệt hạch Nó nung nóng hỗn hợp gồm deuterium 31 tritium - hai đồng vị hydrogen - tới 200 triệu độ C Các nam châm siêu dẫn giữ plasma khơng trung lò phản ứng tokamak hình bánh rán ITER lò phản ứng nhiệt hạch tạo nhiệt Nhiệt sánh với nhiệt tạo từ nhà máy điện thông thường Deuterium tritium nhiên liệu rẻ tiền dồi Deuterium tách từ nước biển tritium sản xuất từ nguyên tố phổ biến - lithium Khi nung nóng, hai nhiên liệu hợp với để tạo helium neutron tốc độ cao Nhiệt neutron tạo sử dụng để vận hành turbine Phản ứng nhiệt hạch nguồn lượng giống mặt trời Mặt trời có lò phản ứng tổng hợp hạt nhân lõi Áp lực lớn nhiệt độ 16 triệu độ C buộc hạt nhân nguyên tử hoá hợp giải phóng lượng Ước tính có tỷ vật chất biến thành ánh sáng mặt trời giây Nếu Pháp giành thắng lợi, ITER xây dựng Cadarache Trong trường hợp ngược lại, ITER nằm Rokkasho, Nhật Bản Lò phản ứng nhiệt hạch bước tiến quan trọng việc phát triển lượng hạt nhân Nó khơng có khả gây ô nhiễm lò phản ứng hạt nhân sử dụng plutonium uranium Mơ hình ITER VI.6 Siêu máy tính Tổ chức Khoa học tự nhiên với NASA, DARPA số trường đại học nghiên cứu máy tính “petaflop” Máy tính thực nghìn tỷ tỷ thao tác 32 giây nhờ nút bấm tí hon làm chất siêu dẫn Máy tính nhanh đạt tốc độ “teraflop” Kỷ lục thuộc IBM Blue Gene/L với tốc độ 70,7 teraflop/giây Siêu máy tính IBM Blue Gene/L Các máy tính sử dụng linh kiện chất siêu dẫn có ưu điểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh Các mạch điện đóng mở nhanh tích nhỏ Trong máy tính siêu dẫn đường truyền vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn Ví dụ tiếp xúc Josephson, cơng tắc siêu dẫn đóng mở pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn) VI.7 Ăng ten mini Miniature Antennas Người ta chế tạo cần ăngten siêu nhỏ chất siêu dẫn đưa vào sử dụng Ăngten làm chất siêu dẫn nhiệt độ cao có kích thước 5% loại ăngten thông thường Ăngten mini làm việc theo nguyên lý mạch xuyên ngầm có độ nhạy gấp 20 lần loại ăngten khác Ví dụ ăngten siêu dẫn nhiệt độ cao dài 2,6 inch thay cho ăngten thông thường dài 52 inch sử dụng để bắt tần số FM VI.8 Máy phát điện siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn giống turbin thông thường Sự điều khiển hoạt động máy phát điện siêu dẫn giống turbin mặt nguyên lý.Nhưng khác motor siêu dẫn bao bọc buồng chân khơng quay tròn.Chất lỏng Hêli (hoặc nitơ) bơm vào buồng chân không lực hướng tâm đẻ trì nhiệt độ motor trạng thái siêu dẫn Máy phát điện siêu dẫn chứng tỏ tính tốt, giá thành hạ so với máy phát điện thông thường 300MW,và hiệu suất nâng từ 98% lên 99% Mặt khác, máy phát điện siêu dẫn có kích thước nửa máy phát điện thường giá rẻ cõ 40% 33 VI.9 Động siêu dẫn Người ta chế tạo motor siêu dẫn dựa sở hiệu ứng Messner Tính chất motor siêu dẫn gây nên đẩy đường từ thông Khi nam châm trở thành gần đến trạng thái siêu dẫn, chất siêu dẫn đẩy Sức đẩy sử dụng để lái rotơ motor điện Các motor siêu dẫn rắn có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường Sự mát dòng motor siêu dẫn ước tính giảm cỡ 50% so với motor thường Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng công nghiệp sản xuất ôtô, loại bom, quạt, máy thổi, máy khí, máy nghiền nhiều phương tiện khác VI.10 Tàu thủy siêu dẫn Các nhà nghiên cứu Nhật Bản sử dụng motor siêu dẫn để chạy tàu thủy đạt đến vận tốc 60mph Họ sử dụng lượng trường điện từ tạo nam châm siêu dẫn để chạy tàu thủy Các từ trường đẩy tàu thủy tàu ngầm nước với tốc độ cao Tàu ngầm mang lượng hạt nhân sử dụng hệ thống đẩy từ thủy động lực (MHD) VI.11 Thiết bị xử lí tín hiệu Có thể phát triển máy xử lý tín hiệu tốc đọ cao việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao Máy hoạt động với độ nhạy gấp 50 lần thiết bị xử lý tín hiệu thơng thường VI.12 Ơ tơ điện Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho ôtô điện máy kéo Điện tích trữ bình tích trữ lượng từ siêu dẫn, thiết bị lắp đặt phương tiện truyền tải Các trạm gas trở thành trạm tái nạp điện Các ôtô máy kéo chạy êm, hiệu suất lượng cao không làm ô nhiễm môi trường Chất siêu dẫn nhiệt độ cao nhiệt độ phòng tương lai làm tăng hiệu giá thành cho việc ứng dụng 34 VI.13 Lò phản ứng nhiệt hạch từ Để sử dụng cho thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp sản sinh từ trường lên đến 11 testla Trạng thái plasma khí gas nóng đưa vào bên từ trường Phản ứng nóng chảy tự xuất plassma nóng lên ngưng đọng lại Sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao làm giảm tổng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm đơn giản hóa hệ thống làm lạnh VI.14 Các băng siêu dẫn Các nhà khoa học Mỹ sản xuất băng siêu dẫn có độ đàn hồi thích hợp mật độ dòng tới hạn đạt đến 1000 A/cm 77K mẫu khối đạt 17.000 A/cm 77K từ trường 4000 A/cm2 từ trường testla 35 Lời kết Hiện tượng siêu dẫn thực vấn đề nóng bỏng mà giới khoa học quan tâm, khả ứng dụng tiềm tàng chất siêu dẫn rộng rãi quan trọng, đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, công nghệ kinh tế đời sống xã hội Siêu dẫn đề tài rộng lớn, tài liệu nhóm chúng tơi thực số vấn đề liên quan tượng này, thời gian hạn hẹp khả có hạn nên tài liệu số vấn đề chưa đề cập đến, thiếu sót khơng thể tránh khỏi Hy vọng ủng hộ góp ý thầy bạn Cảm ơn thầy bạn dành thời gian để đọc ... tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học – đời sống nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học – đời sống Trong. .. tượng siêu dẫn mang đến cho khoa học đời sống ứng dụng rộng rãi to lớn Ngày khoa học kĩ thuật đang phát triển đòi hỏi nhà khoa học phải vận dụng khai thác tối đa ứng dụng chất siêu dẫn để phục... người không sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao phát cách 20 năm mở triển vọng to lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Để sử dụng chất siêu dẫn nhiệt